包括多个能将机械能变换为电能的发电装置的发电设施

摘要

本申请涉及包括多个能将机械能变换为电能的发电装置的发电设施。该发电设施包括至少部分浸没在水中的发电装置，各发电装置包括旋转机械接收器和交流发电机，交流发电机包括至少一个转子和至少一个定子，交流发电机的转子能在旋转机械接收器的作用下旋转。各发电装置产生由至少部分浸没的电缆传送的具有可变电压和频率的交流电信号。该设施还包括互连装置和部分浸没的输出电缆，互连装置与电缆在输入端处并联，并在输出端处提供具可变频率和电压的联合电信号，该信号的电流幅度等于输入电流之和。输出电缆将互连装置的输出端连接到不在水中的功率转换装置上，功率转换装置能将联合电信号变换为具有设定频率的交流电信号，以用于配电或输电网络。

说明书

技术领域

本申请涉及一种包括多个能将机械能变换为电能的发电装置的发电设施。

本申请涉及水力发电领域，尤其涉及通过发电装置进行的水力发电，所述 发电装置为使用洋流的动能发电并至少部分浸没在水中的潮汐涡轮机机或放置 在海上的风力涡轮机机。

背景技术

典型地，潮汐涡轮机由具有可变速度的涡轮机或机械接收器以及与机械接 收器相连的交流发电机构成，涡轮机或机械接收器能设置为在水流(例如涌流 (stream)中的流或波)的作用下旋转，交流发电机将由水流产生的机械功率 转换为电功率。交流发电机通常包括转子和一个或几个定子，转子与涡轮机机 械连接，并设置为涡轮机的作用下旋转，转子的旋转产生感生的电磁场。这样， 提供给转子的机械能被变换为交流(AC)电能。所提供的电压和电频与转子的 转速成比例。

交流发电机在输出端提供频率可变的AC电流，频率依赖于涡轮机的转速， 涡轮机的转速依赖于本身可变的水流的流速。现在配电和输电网络操作于设定 的频率(例如在欧洲为50Hz，在美国为60Hz)。

为了允许为输电或配电网络供电，已知这样的交流发电机与电能转换器耦 合，电能转换器能将来自交流发电机的电信号转换为立即可提供给配电或输电 网络的具有设定的电压和设定的频率的电信号。

目前，能量转换器与交流发电机(以及因此与潮汐涡轮机)的连接是已知 的，以便抽取流经各潮汐涡轮机的流的最佳可能产出，并朝配电或输电网络传 送最大电功率。然而，针对每个用于发电的装置集成一个浸没或部分浸没的功 率转换器是昂贵而受限的，尤其是因为这样的功率转换器要求确保密封以及增 加的可靠度；可替换地，在各机器处安装暴露的功率转换器是不能被公众(视 觉冲击)或当局(受到导航和渔业的限制、危险)接受的。此外，对这样的浸 没或部分浸没的功率转换器的维护是十分昂贵的，因为其要求用于在海上介入、 尤其是用于提升通常很沉重的水下沉箱的工具。

可以设想到包括为各交流发电机在地面上放置相关的功率转换器在内的替 换方案，但所述替换方案特别昂贵，因为这要求使用以可变频率输送AC电信 号的电缆(供发电装置使用)。

期望制造出不太昂贵并更易于维护的基于潮汐涡轮机的发电设施。

发明内容

为此，本申请提出一种发电设施，包括多个发电装置，所述多个发电装置 至少部分地浸没在水中，并能将由涌流提供的机械能变换为电能，每个发电装 置包括旋转机械接收器和交流发电机，所述旋转机械接收器能在所述涌流的作 用下旋转，所述交流发电机包括至少一个转子和至少一个定子，所述交流发电 机的转子能在所述旋转机械接收器的作用下旋转，其特征在于，每个发电装置 产生具有可变的电压和频率的交流电信号，以便由至少部分地浸没的输电电缆 进行传送，并且所述发电设施进一步包括：互连装置，来自每个发电装置的输 电电缆并联地与所述互连装置在输入端处连接，并且所述互连装置在输出端处 提供联合电信号，所述联合电信号为具有可变的频率和电压的交流电信号，所 述联合电信号的电流幅度等于输入电流之和；以及部分地浸没的输出电缆，其 将所述互连装置的所述输出端连接到不在水中的功率转换装置上，所述功率转 换装置能将所述联合电信号变换为具有设定的频率的交流电信号，以用于配电 或输电网络。

有利地，所述发电装置被并联地电连接，电能在互连之后经输出电缆被传 送，所述输出电缆输送具有可变频率的交流电信号，这给出如下可能性：在距 离发电装置一定距离处以及在陆地或在海上平台上放置用于若干发电装置的单 个功率转换装置作为暴露的因此易于接近的变电站。这样，功率转换装置的维 护费用显著降低。

将用于产生能量的装置并联地放在稳定的操作系统中能实现交流发电机的 速度和频率同步。本发明人通过仿真发现，比起各发电装置被单独利用的情况 而言，所提供的总电功率的产出略微降低。

根据本申请的发电设施还可以具有以下一个或更多个特征：

每个发电装置包括具有永磁体的同步交流发电机；

每个发电装置包括异步交流发电机；

每个发电装置包括连接到所述交流发电机的输出端上的变压器，所述变压 器能提高由所述交流发电机提供的电信号的电压并降低由所述交流发电机提供 的电信号的电流强度；

所述功率转换装置包括变压器，所述变压器能降低在所述功率转换装置的 输入端处提供的具有可变频率的交流电信号的电压并能提高在所述功率转换装 置的输入端处提供的具有可变频率的交流电信号的电流强度；

所述功率转换装置包括功率转换组件，所述功率转换组件由至少一个第一 转换器和一第二转换器构成，所述第一转换器能将具有可变的频率和可变的电 压的输入交流电信号转换为输出的直流电信号，所述第二转换器的输入端连接 到所述第一转换器的输出端上，所述第二转换器能将输入的直流信号转换为具 有设定的频率的输出交流信号；

所述功率转换组件包括一子组件或若干并联地电连接的子组件，每个子组 件包括所谓的第一转换器和所谓的第二转换器；

所述功率转换装置包括用于应用功率调节方法的模块，所述模块能调制来 自所述互连装置的所述联合电信号的参数；以及

所述用于应用功率调节方法的模块能对所述联合电信号的电流强度施加影 响，从而导致对由每个发电装置提供的交流电信号的电流强度的平均值和所述 交流电信号的频率同步的调节。

附图说明

本申请的其它特征和优点将通过以下参考所附的单幅图出于示意而非限制 所给出的说明而变得明显，该图为根据本申请的用于产生能量的示例性设施。

具体实施方式

将针对本申请在包括作为潮汐涡轮机的发电装置在内的发电设施中的应用 来说明本申请。更一般地，本申请为任何包括至少部分放置在水中的发电装置 的发电设施提供了优势。

在附图的示例中，发电设施1包括至少一个部分地浸没的部件8和暴露的 部件10，这两个部件通过能以可变频率输送AC电信号的电缆12相连。发电 设施1由四个发电装置(或潮汐涡轮机)14、16、18、20构成，如下文更详细 地加以解释的，所述四个发电装置被并联地连接。

根据一实施例，所述发电装置以“雏菊链”的模式被连接，该模式仅使用 用于连接所述装置的单条电缆来实现并联电连接。

可替换地，根据本申请的发电设施可包括任意数目N的潮汐涡轮机。

潮汐涡轮机借助于涌流或洋流的能量操作。

每个潮汐涡轮机(例如潮汐涡轮机14)包括未在图中示出的涡轮机或水流 的旋转机械接收器。涡轮机机械绑定到交流发电机22上，交流发电机22例如 为包括转子23和至少一个定子24的同步电机，这两个元件同轴，在该图的实 施例中，定子24为围绕转子23的圆冠形状。作为替换地，可以设想到其它已 知的用于放置所述转子/定子单元的拓扑结构。

在一个实施例中，转子具有永磁体。

可替换地，使用异步交流发电机。

在操作时，涡轮机能使转子开始旋转，从而在转子/定子组件中感生电磁场。 所述交流发电机提供交流电信号。

电信号由其参数限定，所述参数包括电流强度(或简称电流)、电压电平(或 简称电压)。对于交流信号例如正弦信号，所述参数还包括频率和相位，所述频 率对于电流和电压是一样的，所述相位等于电压和电流之间的相移角度。

具有永磁体的同步交流发电机22提供具有可变频率的交流电信号S1。

当所述交流发电机产生的电信号S1在[110V，3.3kV]的范围内时，在交流 发电机22的输出端处获得的电信号S1被提供给电路25，电路25包括第一变 压器26，第一变压器26提高电信号S1的电压并降低相关的电流强度，同时维 持电信号S1的功率恒定。第一变压器26为静态变压器。

典型地，变压器26进行从通常为400V-690V的低压至通常为11kV的中压 的变换，因此电压提高约25倍。电流强度降低相同的倍数，以便保持功率恒定。 例如电流自2500A(安培)转变为100A。

本实施例中变压器26的作用是将电流强度降低到一定范围的数值，该范围 的数值允许水下电缆易于在可能相当长(从约1km至15km的量级)的距离内 进行输送。

在优选实施例中，当使用提供产生(约11kV的量级)高电压电信号的可 能性的交流发电机时，用于发电的装置14不包括任何变压器26，这能够省去 该变压器的费用。

此外，常规地，电路25在变压器26(当其存在时)的输出端处包括保险 开关28，其允许在必要(例如故障)时隔离发电装置14，以便将发电装置14 与所述设施的其余部分隔离。当开关28启动时，由发电装置14传送到所述发 电设施的电流被重置为零。

在输出端处，发电装置14提供第二电信号S′1，在无变压器26的实施例中， 第二电信号S′1即是第一电信号S1，其电压在最大值Vmax(例如11kV)的10％ 和100％之间，并且电流在最大值Imax(例如600A)的10％和100％之间。该 输出电信号为具有可变频率并具有受到最大值(在本实施例中等于11kV)的限 制的可变电压的交流电信号。

当然，此处11kV和600A的最大值是作为示例给出的，本申请的原理对于 更大的最大值仍然是有效的。

发电装置14的输出端连接到输送电缆32上，输送电缆32在本实施例中为 水下电缆，并能向互连装置34传送具有可变电压和频率的电信号S′1。

其它发电装置16、18、20与发电装置14类似，并包括在输出端处分别提 供具有可变频率和可变电压的电信号S′2、S′3、S′4的类似元件。

类似地，电信号S′2、S′3、S′4通过各自的输送电缆36、38、40被传送给 互连装置34的输入端。

具有可变频率和可变电压的电信号S′1、S′2、S′3、S′4到达互连装置34的 输入端处，并由耦合器45并联地互相连接。在耦合器45的输出端处获得联合 电信号S″，其电流幅度等于输入信号的电流之和。联合电信号S″的频率典型地 在1Hz至100Hz的范围之间变化，联合电信号S″的电压最大可达最大电压 Vmax，在本实施例中，最大电压Vmax等于11kV。

联合电信号S″然后在输出电缆12上传送，输出电缆12能将具有可变频率 和可变电压的电信号传送至发电设施1的暴露的部件10。

输出电缆12将互连装置34连接到不位于水中的功率转换装置46上，功率 转换装置46不位于水中有助于其维护。

有利地，无论并联连接的发电装置的数目是多少，都仅要求有单个输出电 缆和单个不在水中的功率转换装置。

功率转换装置46包括第二变压器48，第二变压器48的作用是降低联合电 信号S″的电压，以便使其兼容于连接到变压器48的输出端上的功率转换器组 件50。

典型地，变压器48提供以下可能性：将具有11kV的最大电压的输入电信 号变化到具有等于所述变压器的最大电压电平的最大电压(例如690V、900V、 1200V、2.2kV、3.3kV、4kV或6.6kV)的输出电信号，同时保持所述输入电 信号的功率。

在该图示出的实施例中，使用了在两个分支上并联连接的功率转换器组件。

可替换地，单个转换器或多于两个的转换器被使用。要使用的转换器的数 目根据所使用的转换器的特征和并联连接的发电装置的数目而变化。

更详细地，功率转换器组件50由并联连接的两个子组件构成，每个子组件 包括第一转换器54(或56)和第二转换器58(或60)，第一转换器54(或56) 将交流电信号转换为直流电信号，第二转换器58(或60)的输入端连接到所述 第一转换器54的输出端上，所述第二转换器将来自所述第一转换器的直流电信 号转换为能在配电和输电网络上分配的具有设定的频率和设定的电压的交流电 信号。在实际中，转换器54、56为四象限有源整流器，并且转换器58、60也 具有相同的特性。

要并联连接的转换器的子组件的数目依赖于来自输出电缆12的联合电信 号S″的功率，所述功率转换器的操作范围通过设计来设定。典型地，对于来自 并联连接的四个发电装置的4MW量级的功率，将转换器的两个子组件并联连 接，为2MVA/690V的转换器。更一般地，考虑到所提供的总功率等于各发电 装置提供的功率之和，具有设定的变换器操作范围的变换器的子组件的数目依 赖于并联分支的发电装置的数目N。

变换器组件的输出端连接到第三变压器62的输入端上，第三变压器62将 690V的交流电信号变换为具有所述配电或输电网络的(典型地为20kV的)电 压并且具有等于电配电或输电网络的频率(因此在欧洲等于50Hz)的频率的交 流电信号。

在变压器62的输出端处获得的电信号通过连接64被提供给所述配电或输 电网络。

在所述的发电设施1中，稳定的操作对并联连接的交流发电机的转子的旋 转频率和速度的同步施加影响。功率转换组件50调节其端部上的电信号的参 数，因此功率转换组件50作为对联合电信号S″的参数尤其是其电流强度施加 影响的驱动构件。现在，联合电信号S″来自各交流发电机提供的电信号S′1至 S′4的和。

因此对联合电信号S″的电流强度的调节导致对由发电装置14、16、18、20 的交流发电机给出的信号的电流强度的调节。因此，对于每个交流发电机，对 施加于交流发电机的转子的、与电流强度相关的电磁制动转矩进行调节，以便 对转子的同步施加影响。驱动各转子的涡轮机的转速相同，并与并联连接且配 备有同步交流发电机的所有发电装置的电频率成比例。并联连接且配备有异步 交流发电机的涡轮机的转速非常接近(小于5％的偏差)。

对于由涡轮机驱动并连接到功率转换器上的交流发电机的情况，转换器以 已知的方式调节功率，以便调整由交流发电机给出的电流强度，以此可以获得 电磁制动转矩，这允许优化涡轮机的转速，从而可以获得最大产出(即相对于 可用的机械能，用功率测量出的最大电能)。

在根据本申请的设施中，若干发电装置并联连接。应用功率调节方法，从 而允许功率转换组件50被驱动，以便给出具有最大功率的联合电信号S″。例 如，使用专利申请FR11.55559中所述的调节方法。这样的方法典型地由能控制 功率转换组件50的未示出的控制单元应用。

对联合电信号S″的电流强度的调节被分配在由并联连接的发电装置的交流 发电机提供的电流上，以便调节由各交流发电机提供的电流强度的平均值。

可替换地，可以使用其它已知方法来驱动连接到单个交流发电机上的功率 转换器，并允许单个交流发电机在其最佳操作点处，以便通过将并联连接的交 流发电机视为具有类似于单个“平均”交流发电机的操作，而获得对并联连接 的交流发电机的平均功率的功率调节，再次通过对各个相连的交流发电机的特 征求平均而找到所述单个“平均”交流发电机的电特性。所述方法可以例如为 基于数字观测器的方法。

应注意，与常规设施(其中各发电装置具有其自身的功率转换器，各发电 装置以依赖于提供机械能的流的最佳产出操作)不同，在根据本申请的设施中， 各发电装置的产出被平均地优化。

因此，与未将发电装置并联连接的操作相比，在产出上发生了轻微损耗。 但是本发明人通过仿真发现，所述产出损耗较低。

并且看起来即使局部水流的流速非常显著地变化，总发电功率的损耗也是 比较低的。

还注意到，对于并联连接的交流发电机的特性的小差别，总发电功率的损 耗也是比较低的。

有利地，比起在安装和维护方面昂贵得多的常规系统而言，所提出的发电 设施能够降低安装和维护费用，同时保持稳定的系统和总发电功率的低损耗。